種によって異なる蝶の翅形状とその飛翔特性の解明

阐明不同种类蝴蝶的翅膀形状和飞行特性

基本信息

批准号：
21K03969
负责人：
藤川太郎
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Tokyo Denki University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

初年度から継続して，蝶の飛翔運動解析と数値流体シミュレーション解析，小型はばたきロボットの開発を行った.蝶の飛翔運動解析では，引き続き東京都の足立区生物園にご協力いただき，複数種の蝶の飛翔の様子を高速度カメラを用いて撮影した．そのうち，アゲハチョウ科のナミアゲハ，タテハチョウ科のオオゴマダラおよびシロチョウ科のツマベニチョウについて3次元運動解析を行った結果，水平飛翔時のフラッピング周波数は，それぞれ11Hz，7Hz，9Hzほどであり，そのときのフラッピング角の範囲はそれぞれ，60degから-30deg程度，60degから-30deg程度，80degから-60deg程度であることがわかった．先行研究より，アゲハチョウの飛び立ち時のフラッピング角が80degから-60deg程度であったことから，アゲハチョウについては水平飛翔時にはその角度をやや小さくしていることが明らかになった．また，翅サイズがより大きなオオゴマダラはフラッピング周波数が低く，同程度の翅サイズであるアゲハチョウとツマベニチョウでは，ツマベニチョウの方がフラッピング周波数が低い結果となった．この要因の1つが後翅形状の違いにあることが示唆された．次に，複数種の蝶の翅形状を3次元モデル化し，数値流体シミュレーション解析によりそれぞれの空力特性を求めた．その結果，どの種も迎角10deg程度が最も揚抗比が高いことがわかった．また，翼弦長が長い翅形状ほど，揚抗比が高くなる傾向にあることも明らかになった．以上の翅形状による飛翔特性の違いを検証するため，初年度に開発した機体を基に，飛行実験を行うための小型はばたきロボットを開発した．小型のリチウムイオン二次電池を搭載し，モータ駆動により10Hz程度のフラッピング運動が可能である．翼幅長は200mm，質量は2g以下で製作し，10m以上の飛行を可能としている．

从第一年开始，我们进行了蝴蝶飞行运动分析、计算流体模拟分析、以及小型扑动机器人的开发。对于蝴蝶飞行运动分析，我们继续与东京足立区生物园合作，研究了多个物种蝴蝶的飞行是用高速相机拍摄的。其中，对凤蝶科燕尾蝶、蛱蝶科大蝶、蛱蝶科黑尾蝶进行了三维运动分析，水平飞行时的扑动频率为11 Hz。、7Hz和9Hz，并且发现此时的扑动角度范围分别约为60°至-30°、60°至-30°和80°至-60°。先前的研究表明，燕尾蝴蝶在起飞时的扑动角度范围为80度至-60度，并且已经清楚，燕尾蝴蝶在水平飞行时会稍微减小这个角度。此外，巨型蝴蝶翅膀尺寸较大，其扑动频率较低，而翅膀尺寸相似的燕尾蝴蝶和黑白蝴蝶，其扑动频率低于黑白蝴蝶。有人认为，造成这种情况的原因之一是后翅形状的差异。接下来，我们创建了多种蝴蝶翅膀形状的三维模型，并通过计算流体模拟分析确定了它们的空气动力特性。结果表明，对于所有物种，升阻比在攻角约为 10 度时最高。研究还表明，弦长较长的机翼形状往往具有较高的升阻比。为了验证上述由于机翼形状而导致的飞行特性差异，我们在第一年开发的飞机的基础上开发了小型扑翼机器人进行飞行实验。它配备了小型锂离子二次电池，能够通过电机驱动以10Hz左右的频率进行拍打运动。它的翼展为200毫米，重量小于2克，飞行距离超过10米。